2. 堆与栈的区别

article/2025/9/30 9:56:30

2. 堆与栈的区别

在理解这两个概念时,需要放到具体的场景下,因为不同场景下,堆与栈代表不同的含义。一般情况下,有两层含义:
(1)程序内存布局场景下,堆与栈表示的是两种内存管理方式;
(2)数据结构场景下,堆与栈表示两种常用的数据结构。

此外,首先我们要明确一下内存的分区。一般内存主要分为:代码区、常量区、静态区(全局区)、堆区、栈区这几个区域。
在这里插入图片描述
代码区:存放程序的代码,即CPU执行的机器指令,并且是只读的。
常量区:存放常量(程序在运行的期间不能够被改变的量,例如: 10,字符串常量”abcde”, 数组的名字等)
静态区(全局区):静态变量和全局变量的存储区域是一起的,一旦静态区的内存被分配, 静态区的内存直到程序全部结束之后才会被释放
堆区:由程序员调用malloc()函数来主动申请的,需使用free()函数来释放内存,若申请了堆区内存,之后忘记释放内存,很容易造成内存泄漏
栈区:存放函数内的局部变量,形参和函数返回值。栈区之中的数据的作用范围过了之后,系统就会回收自动管理栈区的内存(分配内存 , 回收内存),不需要开发人员来手动管理。

一、程序内存分区中

1. 栈(Stack)

  • 栈由操作系统自动分配释放 ,用于存放函数的参数值、局部变量等。
  • 函数中定义的局部变量按照先后定义的顺序依次压入栈中,也就是说相邻变量的地址之间不会存在其它变量。
  • 栈的内存地址生长方向与堆相反,由高到底,所以后定义的变量地址低于先定义的变量。
  • 栈中存储的数据的生命周期随着函数的执行完成而结束。
  • 栈是操作系统在建立某个进程时或者线程(在支持多线程的操作系统中是线程)为这个线程建立的存储区域,该区域具有FIFO的特性,在编译的时候可以指定需要的栈的大小。

2. 堆

  • 堆由程序员分配释放, 若程序员不释放,程序结束时由OS回收。
  • 堆的内存地址生长方向与栈相反,由低到高,但需要注意的是,后申请的内存空间并不一定在先申请的内存空间的后面,原因是先申请的内存空间一旦被释放,后申请的内存空间则会利用先前被释放的内存,从而导致先后分配的内存空间在地址上不存在先后关系。
  • 关于堆上内存空间的分配过程,首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表,当系统收到程序的申请时,会遍历该链表,寻找第一个空间大于所申请空间的堆节点,然后将该节点从空闲节点链表中删除,并将该节点的空间分配给程序。由于找到的堆节点的大小不一定正好等于申请的大小,系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表。
    另外,对于大多数系统,会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小,这样,代码中的delete语句才能正确地释放本内存空间。

3. 区别

(1)每个进程拥有的栈的大小要远远小于堆的大小。理论上,程序员可申请的堆大小为虚拟内存的大小,进程栈的大小64bits的Windows默认1MB,64bits的Linux默认10MB;
(2)栈由操作系统自动分配,会在硬件层级对栈提供支持:分配专门的寄存器存放栈的地址,压栈出栈都有专门的指令执行,这就决定了栈的效率比较高。堆则是由C/C++提供的库函数或运算符来完成申请与管理,实现机制较为复杂,频繁的内存申请容易产生内存碎片。显然,堆的效率比栈要低得多。
(3)栈存放的内容为函数返回地址、相关参数、局部变量和寄存器内容等。当主函数调用另外一个函数的时候,要对当前函数执行断点进行保存,需要使用栈来实现,首先入栈的是主函数下一条语句的地址,即扩展指针寄存器的内容(EIP),然后是当前栈帧的底部地址,即扩展基址指针寄存器内容(EBP),再然后是被调函数的实参等,一般情况下是按照从右向左的顺序入栈,之后是被调函数的局部变量,注意静态变量是存放在数据段或者BSS段,是不入栈的。出栈的顺序正好相反,最终栈顶指向主函数下一条语句的地址,主程序又从该地址开始执行。堆,一般情况堆顶使用一个字节的空间来存放堆的大小,而堆中具体存放内容是由程序员来填充的。


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